308_李成_基于HyperWorks的麦弗逊悬架下控制臂的优化.pdfVIP

Altair 20 10 HyperWorks 技术大会论文集 HyperWorks 在下控制臂优化中的应用 李成 奇瑞汽车工程研究院底盘部 摘要：基于拓扑优化理论及有限元方法，使用 Altair 公司 OptiStruct 优化设计解算器， 对一铸造的麦弗逊悬架控制臂进行拓扑优化，在规定的体积内取得最佳的材料分布，使得 刚度最大。优化结束，进行了CAD 模型重建，并与原件进行静强度、模态比较。 关键词：麦弗逊，控制臂，拓扑优化，OptiStruct 绪论 这篇论文主要研究适用与麦弗逊悬架的下控制臂的优化设计方法，是基于Altair 公司 的HyperWorks 软件的OptiStruct 解算器，采用了实体拓扑优化技术。采用多工况单一目 标的优化方法，实现了对控制臂的优化设计。最终达到了减轻控制臂重量、增强控制臂刚 度这一目标。 1 简介 麦弗逊悬架在目前是大多数中小型轿车前悬架所首选的类型，对于麦弗逊悬架的下控 制臂来说主要在加速、制动、过坎是承受纵向力，以及在转向是承受侧向力，对于垂向力 下控制臂只是抵消前后橡胶衬套被扭转变形时的一些结构反力，垂向力主要由滑柱弹簧来 承受，由于作用在控制臂上的垂向力在数量级上远小于纵向力及侧向力，所以在校核下控 制臂时通常不考虑垂向力。麦弗逊悬架的受力情况如图1 所示。 Fx Fy 图1 优化前控制臂模型 Altair 20 10 HyperWorks 技术大会论文集 图2 所示为优化前的控制臂，材料为锻钢40Cr 为了保证足够的转弯半径，控制臂的 结构设计空间较小，有应力集中区域如图3 所示。 图2 优化前控制臂模型 图3 优化前控制臂结构示意 新款车型在原有车型基础之上，加宽了前轮距。也即轮心坐标外移，其他硬点不做改 动，这样控制臂多出结构优化空间，如图4 比较所示。 新设计轮廓 原有轮廓 + 图4 控制臂新的设计边界 Altair 20 10 HyperWorks 技术大会论文集 2 有限元模型的建立 2.1 建立设计边界 根据布置情况利用CAD 软件建立起设计边界模型，如图5 所示。 图5 新的控制臂拓扑优化边界 2.2 优化前处理 2.2.1 网格划分 将建立的拓扑优化边界导入 HyperMesh 划分网格，单元类型采用一阶四面体单元， 最终网格划分情况如图6 所示。 图6 划分网格 2.2.2 添加材料 创建出各向同性金属材料，参考手册或询问供应商得知其弹性模量及泊松比，如图 7 所示。 Altair 20 10 HyperWorks 技术大会论文集 图7 添加材料 2.2.3 设置属性 划分优化区域及非设计区域，因为拓扑优化区域是由属性来识别的，所以通过多个属 性可区分设计及非设计区域，本例中将控制臂前衬套外圈、后衬套芯轴、外球销点紧固螺 栓孔设置为非设计区域，其他为设计区域，如图8 所示。 图8 划分设计、非设计区域 2.2.4 连接关系建立 使用RBE2 单元将外球销点与三个紧固螺栓孔内壁节点连接、相同的操作将前后衬套 中心点与对应节点连接。 2.2.5 建立边界条件 麦弗逊悬架控制臂分析时通常固定前衬套 X 、Y 、Z 三个方向平动 （1、2、3 ），后衬 套点Y 、X 方向平动